專利名稱:光學(xué)編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種光學(xué)編碼器。
背景技術(shù):
在相關(guān)技術(shù)中,存在光學(xué)編碼器,其包括具有格狀或條狀標(biāo)尺刻度線的標(biāo)尺以及讀取頭,該讀取頭具有向標(biāo)尺發(fā)射光的光源以及接收被標(biāo)尺反射的光的光接收元件, 從而基于光接收元件接收的光可以測(cè)量讀取頭相對(duì)于標(biāo)尺的位置。日本專利申請(qǐng)公布 No. 2003-307440( “專利文獻(xiàn)1”)和No. 2006-284564( “專利文獻(xiàn)2”)中公開(kāi)了一些光學(xué)編碼器的例子。專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)的光學(xué)編碼器包括標(biāo)尺刻度線(標(biāo)尺)以及反射型光學(xué)讀取器 (讀取頭),該反射型光學(xué)讀取器(讀取頭)具有發(fā)光二極管(光源)、物鏡和光接收單元 (光接收元件)。此外,反射型光學(xué)讀取器具有布置在發(fā)光二極管與物鏡之間的半反射半透射鏡(half-mirror),從而從發(fā)光二極管發(fā)出并通過(guò)物鏡引導(dǎo)向標(biāo)尺刻度線的光的光路與被標(biāo)尺刻度線反射并通過(guò)物鏡引導(dǎo)向光接收單元的光的光路分離。然而,在專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)的光學(xué)編碼器中,因?yàn)楣饨邮諉卧ㄟ^(guò)半反射半透射鏡接收光,所以可能存在不能獲得足夠量的光的問(wèn)題。此外,如果從發(fā)光二極管發(fā)出的光的量增加以獲得足夠量的光,則發(fā)光二極管的功耗提高,而且發(fā)光二極管的壽命降低。另一方面,專利文獻(xiàn)2中公開(kāi)的光電編碼器(光學(xué)編碼器)包括標(biāo)尺、光源、透鏡以及光接收元件。在該光電編碼器中,通過(guò)透鏡,從光源發(fā)出并被引導(dǎo)向標(biāo)尺的光的光路與被標(biāo)尺反射并被引導(dǎo)向光接收元件的光的光路分離,并且通過(guò)Wkheimpflug關(guān)系布置標(biāo)尺、透鏡和光接收元件而可以獲得足夠量的光。
發(fā)明內(nèi)容
然而,在專利文獻(xiàn)2中公開(kāi)的光電編碼器中,不能平行地布置標(biāo)尺和光接收元件。 因此,存在光電編碼器的尺寸變大的問(wèn)題。此外,在專利文獻(xiàn)2的第五實(shí)施例中公開(kāi)的光電編碼器中,通過(guò)在標(biāo)尺和光接收元件之間布置4個(gè)透鏡來(lái)使標(biāo)尺和光接收元件平行地布置。然而,在此光電編碼器中,因?yàn)樵跇?biāo)尺和光接收元件之間布置了 4個(gè)透鏡,所以存在光電編碼器的尺寸變大的問(wèn)題。本發(fā)明提供了一種小型化的光學(xué)編碼器,其在光接收元件中能夠獲得足夠量的光。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)編碼器包括標(biāo)尺和讀取頭,標(biāo)尺具有格狀或條狀的標(biāo)尺刻度線,讀取頭具有向標(biāo)尺發(fā)射光的光源。讀取頭包括與標(biāo)尺平行地布置以接收由標(biāo)尺反射的光的光接收元件,由此基于光接收元件接收到的光來(lái)測(cè)量讀取頭相對(duì)于標(biāo)尺的位置,其中讀取頭具有標(biāo)尺側(cè)透鏡,該標(biāo)尺側(cè)透鏡將從光源發(fā)射的光透射到標(biāo)尺并將被標(biāo)尺反射的光透射到光接收元件。光源布置在標(biāo)尺側(cè)透鏡與光接收元件之間,并且光源與標(biāo)尺側(cè)透鏡之間的距離被設(shè)置為標(biāo)尺側(cè)透鏡的焦距,并且其中光源的光軸在標(biāo)尺刻度線的讀取方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸一致,而在與標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸分離預(yù)定的距離。在此構(gòu)造中,因?yàn)楣庠吹墓廨S在與標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的方向(下文稱為與標(biāo)尺刻度線垂直的方向)上與標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸分離預(yù)定的距離,所以經(jīng)由在與標(biāo)尺刻度線垂直的方向上標(biāo)尺側(cè)透鏡的光源側(cè)將從光源發(fā)射的照明光透射到標(biāo)尺。此外,該光被標(biāo)尺反射,并經(jīng)由在與標(biāo)尺刻度線垂直的方向上標(biāo)尺側(cè)透鏡的與光源側(cè)相反的一側(cè)而被光接收元件接收。因此,根據(jù)本發(fā)明,可以通過(guò)標(biāo)尺側(cè)透鏡而非半反射半透射鏡,將從光源發(fā)射并被引導(dǎo)向標(biāo)尺的光的光路與被標(biāo)尺反射并被引導(dǎo)向光接收元件的光的光路分離。因此,可以在光接收元件中獲得足夠量的光。此外,標(biāo)尺和光接收元件平行地布置,并且單個(gè)標(biāo)尺側(cè)透鏡被布置在標(biāo)尺和光接收元件之間。因?yàn)楣庠床贾迷跇?biāo)尺側(cè)透鏡和光接收元件之間,所以可以小型化光編碼器。此外,因?yàn)楣庠磁c標(biāo)尺側(cè)透鏡之間的距離被設(shè)置為標(biāo)尺側(cè)透鏡的焦距,所以光學(xué)編碼器可以被用于在標(biāo)尺刻度線的讀取方向上構(gòu)成物(標(biāo)尺)側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng),從而提高讀取頭的焦深。因此,可以增加標(biāo)尺和讀取頭之間的可允許的間隔。根據(jù)本發(fā)明,優(yōu)選預(yù)定距離被設(shè)置為等于或大于光源在與標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的方向上的寬度的1/2。這里,如果光源的光軸與標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸在與標(biāo)尺刻度線垂直的方向上的預(yù)定距離被設(shè)置為小于光源在與標(biāo)尺刻度線垂直的方向上的寬度的1/2,則光源的一部分在與標(biāo)尺刻度線垂直的方向上從標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸凸出,從而光接收元件不接收光。因此,從光源發(fā)射的光的使用效率降低。另一方面,根據(jù)本發(fā)明,因?yàn)楣庠吹墓廨S與標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸在與標(biāo)尺刻度線垂直的方向上的預(yù)定距離被設(shè)置為等于或大于光源在與標(biāo)尺刻度線垂直的方向上的寬度 (數(shù)值孔徑)的1/2,所以可以提高從光源發(fā)射的光的使用效率。根據(jù)本發(fā)明,優(yōu)選讀取頭具有孔徑光闌,用于透射已被標(biāo)尺反射并已穿過(guò)標(biāo)尺側(cè)透鏡而朝向光接收元件的光;孔徑光闌與標(biāo)尺側(cè)透鏡之間的距離被設(shè)置為標(biāo)尺側(cè)透鏡的焦距;并且在與標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的平面內(nèi),孔徑光闌的光軸與光源的光軸關(guān)于標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸而彼此軸對(duì)稱。這里,如果僅根據(jù)光源的寬度或位置構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)編碼器,則存在光學(xué)編碼器的光學(xué)系統(tǒng)的性能可能由于光源位置變化的影響而發(fā)生變化的問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明,因?yàn)楣鈱W(xué)編碼器具有用于透射已被標(biāo)尺反射并已穿過(guò)標(biāo)尺側(cè)透鏡的光的孔徑光闌,所以可以在通過(guò)設(shè)計(jì)光源的寬度和位置之外通過(guò)設(shè)計(jì)孔徑光闌的寬度或位置來(lái)獲得物(標(biāo)尺)側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)或定位孔徑光闌比設(shè)計(jì)或定位光源相對(duì)容易,所以抑制光學(xué)編碼器的光學(xué)系統(tǒng)的性能變化更容易。根據(jù)本發(fā)明,優(yōu)選讀取頭具有光接收元件側(cè)透鏡,該光接收元件側(cè)透鏡布置在孔徑光闌與光接收元件之間,孔徑光闌與光接收元件側(cè)透鏡之間的距離被設(shè)置為光接收元件側(cè)透鏡的焦距,并且光接收元件側(cè)透鏡的光軸與標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸一致。在此構(gòu)造中,因?yàn)楣鈱W(xué)編碼器可以被用于在標(biāo)尺刻度線的讀取方向上構(gòu)成雙向遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng),所以可以提高焦深。因此,還可以增加光接收元件與光接收元件側(cè)透鏡之間可允許的間隔。
根據(jù)本發(fā)明,優(yōu)選讀取頭具有光接收元件側(cè)透鏡,該光接收元件側(cè)透鏡布置在孔徑光闌與光接收元件之間,孔徑光闌與光接收元件側(cè)透鏡之間的距離被設(shè)置為光接收元件側(cè)透鏡的焦距,并且光接收元件側(cè)透鏡的光軸在標(biāo)尺刻度線的讀取方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸一致,而在與標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸分離預(yù)定距離的兩倍。在此構(gòu)造中,光學(xué)編碼器可以被用于在標(biāo)尺刻度線的讀取方向上構(gòu)成雙向遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。因此,還可以增加光接收元件與光接收元件側(cè)透鏡之間可允許的間隔。此外,因?yàn)闃?biāo)尺側(cè)透鏡光軸與光接收元件側(cè)透鏡的光軸兩者在與標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的方向上分別在兩側(cè)與孔徑光闌的光軸分離預(yù)定的距離,所以穿過(guò)孔徑光闌的光透射通過(guò)透鏡的具有相同形狀的部分。結(jié)果,光學(xué)編碼器可以被用于降低透鏡像差的影響,并進(jìn)行精確的測(cè)量。根據(jù)本發(fā)明,優(yōu)選讀取頭具有兩個(gè)光源、兩個(gè)標(biāo)尺側(cè)透鏡以及兩個(gè)孔徑光闌,并且在與標(biāo)尺刻度線的X讀取方向垂直的TL平面內(nèi),每個(gè)光源的光軸、每個(gè)標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸以及每個(gè)孔徑光闌的光軸關(guān)于光接收元件側(cè)透鏡的Z光軸而彼此軸對(duì)稱。在此構(gòu)造中,被兩個(gè)標(biāo)尺刻度線反射的光束可以被單個(gè)光接收元件接收。因此,例如,光學(xué)編碼器可以被構(gòu)造為一組標(biāo)尺刻度線被用于檢測(cè)標(biāo)尺和讀取頭的移動(dòng)量,而另一組標(biāo)尺刻度線被用于檢測(cè)標(biāo)尺和讀取頭的起始點(diǎn),并且來(lái)自這兩組標(biāo)尺刻度線的光可以被單個(gè)光接收元件接收。結(jié)果,相比于光學(xué)編碼器被構(gòu)造為利用兩個(gè)光接收元件接收光束的情況,可以降低部件的數(shù)量。根據(jù)本發(fā)明,優(yōu)選光源包括發(fā)光體和散射板,發(fā)光體發(fā)射光,散射板布置在從發(fā)光體發(fā)射的光的光路的后段中并使從發(fā)光體發(fā)射的光散射。在此構(gòu)造中,因?yàn)楣庠吹膶挾瓤梢杂蒙⑸浒宓膶挾却?,所以可以更容易地設(shè)計(jì)光學(xué)編碼器。根據(jù)本發(fā)明,優(yōu)選光源包括發(fā)射光的發(fā)光體以及布置在從發(fā)光體發(fā)射的光的光路的后段中的發(fā)光體透鏡,并且標(biāo)尺側(cè)透鏡和發(fā)光體透鏡構(gòu)成柯勒照明(Kohler illumination)。在此構(gòu)造中,因?yàn)榭梢越档蛷墓庠窗l(fā)射并通過(guò)標(biāo)尺側(cè)透鏡引導(dǎo)向標(biāo)尺的光的不均勻性,所以可以進(jìn)行精確的測(cè)量。
圖1是圖示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光學(xué)編碼器的示意圖。圖2是圖示在與標(biāo)尺刻度線垂直的方向上觀察到的、根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光學(xué)編碼器的示意圖。圖3是示出在標(biāo)尺刻度線的讀取方向上觀察到的、根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的光學(xué)編碼器的示意圖。圖4是示出在與標(biāo)尺刻度線垂直的方向上觀察到的、根據(jù)第二實(shí)施例的光學(xué)編碼器的示意圖。圖5是圖示在標(biāo)尺刻度線的讀取方向上觀察到的、根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的光學(xué)編碼器的示意圖。
圖6是圖示在與標(biāo)尺刻度線垂直的方向上觀察到的、根據(jù)第三實(shí)施例的光學(xué)編碼器的示意圖。圖7是圖示在標(biāo)尺刻度線的讀取方向上觀察到的、根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的光學(xué)編碼器的示意圖。圖8是圖示在標(biāo)尺刻度線的讀取方向上觀察到的、根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的光學(xué)編碼器的示意圖。圖9是圖示根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的光學(xué)編碼器的光源的示意圖。圖10是圖示根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的光學(xué)編碼器的光源的示意圖。
具體實(shí)施例方式第一實(shí)施例 下面將參照附圖描述本發(fā)明的第一實(shí)施例。圖1是圖示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光學(xué)編碼器1的示意圖。在圖1中,X軸表示垂直于紙平面的軸,Y軸表示在水平方向上延伸的軸,Z軸表示在垂直方向上延伸的軸。參照?qǐng)D1和圖2,光學(xué)編碼器1包括標(biāo)尺2,具有格狀或條狀的標(biāo)尺刻度線21,該標(biāo)尺刻度線21可以沿著X軸方向被讀取;以及讀取頭3,具有向標(biāo)尺2發(fā)射光的光源31、將光從光源31透射到標(biāo)尺2的標(biāo)尺側(cè)透鏡32、以及光接收元件33,該光接收元件33與標(biāo)尺 2平行地布置并接收已經(jīng)被標(biāo)尺2反射且已經(jīng)穿過(guò)標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光,從而基于由光接收元件33接收的光可以測(cè)量讀取頭3相對(duì)于標(biāo)尺2的位置。也就是,標(biāo)尺側(cè)透鏡32將標(biāo)尺 2反射的光透射到光接收元件33。標(biāo)尺2形成為具有矩形板形狀,其縱向沿著X軸方向取向,橫向沿著Y軸方向取向。圖1示出了在X軸方向(即標(biāo)尺刻度線21的讀取方向)上觀察到的光學(xué)編碼器1。圖2是圖示在Y軸方向(即與標(biāo)尺刻度線21的讀取方向垂直的方向)上觀察到的光學(xué)編碼器1的示意圖。在本說(shuō)明書(shū)中,與刻度標(biāo)記21的讀取方向垂直的方向(Y軸方向)可以被簡(jiǎn)單地稱為與標(biāo)尺刻度線21垂直的方向。如圖1和圖2中所示,光源31布置在標(biāo)尺側(cè)透鏡32與光接收元件33之間,并且光源31和標(biāo)尺側(cè)透鏡32之間的距離被設(shè)置為標(biāo)尺側(cè)透鏡32的焦距fs。光源31的光軸Lsrc在標(biāo)尺刻度線21的X讀取方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸Ls 一致(參考圖幻,而在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸Ls分離預(yù)定的距離D (參考圖1)。這里,預(yù)定距離D被設(shè)置為等于或大于光源31在與標(biāo)尺刻度線21 垂直的Y方向上的寬度Wsrcy (數(shù)值孔徑)的1/2。因?yàn)楣庠?1的光軸Lsrc在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸Ls分離預(yù)定距離D,所以在從光源31發(fā)出的光中,經(jīng)由在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光源31側(cè),在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上光源31側(cè)的光被透射到標(biāo)尺2,如圖1所示。該光被標(biāo)尺2反射并經(jīng)由標(biāo)尺側(cè)透鏡32的相反側(cè)而被光接收元件33接收,該相反側(cè)是在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上與光源31側(cè)相反的一側(cè)。在圖1和圖2中,由光接收元件33接收的光的光路由實(shí)線表示,光的其他光路被省略。在以下附圖中,將使用類似的標(biāo)示。此外,因?yàn)楣庠?1與標(biāo)尺側(cè)透鏡32之間的距離被設(shè)置為標(biāo)尺側(cè)透鏡32的焦距,所以光學(xué)編碼器1可以在標(biāo)尺刻度線21的讀取方向上被用于構(gòu)成物(標(biāo)尺幻側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)(telecentric optical system),如圖2所示,從而可以提高焦深(focal depth) 具體地,標(biāo)尺側(cè)透鏡32的數(shù)值孔徑NA可以表達(dá)為以下等式(1)[等式1]NA = Dp/ (Dp-fs) ‘ ffsrcx/2Ds(1)其中,Wsrcx表示光源31在標(biāo)尺刻度線21的讀取方向上的寬度,Ds (未示出)表示標(biāo)尺2的標(biāo)尺刻度線21與標(biāo)尺側(cè)透鏡32之間的距離,以及Dp (未示出)表示標(biāo)尺側(cè)透鏡32與光接收元件33之間的距離。此外,光學(xué)編碼器1的焦深DOF可以表達(dá)為以下等式O)[等式2]DOF = λ /2ΝΑ2 = 2 λ Ds2ZWsrcx2 · ((Dp-fs) /Dp)2(2)其中λ表示從光源31發(fā)射的光的波長(zhǎng)。因此,可以通過(guò)減小光源31的寬度Wsrcx來(lái)提高焦深D0F。在本實(shí)施例中,可以獲得以下效果。(1)在光學(xué)編碼器1中,因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)標(biāo)尺側(cè)透鏡32而非半反射半透射鏡將從光源31發(fā)射并引導(dǎo)向標(biāo)尺2的光的光路與被標(biāo)尺2反射并引導(dǎo)向光接收元件33的光的光路分離,所以對(duì)于光接收元件33可以獲得足夠的光量。(2)標(biāo)尺2和光接收元件33彼此平行地布置,并且在標(biāo)尺2和光接收元件33之間布置單個(gè)的標(biāo)尺側(cè)透鏡32。此外,光源31布置在標(biāo)尺側(cè)透鏡32與光接收元件33之間。 因此,可以小型化光學(xué)編碼器1。(3)因?yàn)楣鈱W(xué)編碼器1可以在標(biāo)尺刻度線21的讀取方向上被用于構(gòu)成物(標(biāo)尺 2)側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng),所以可以提高焦深。因此,可以增加標(biāo)尺2和讀取頭3之間所允許的間隔。(4)因?yàn)樵谂c標(biāo)尺刻度線21垂直的方向上光源31的光軸Lsrc與標(biāo)尺側(cè)透鏡32 的光軸Ls之間的預(yù)定距離D被設(shè)置為等于或大于光源31在與標(biāo)尺刻度線21垂直的方向上的寬度Wsrcy的1/2,所以可以改善從光源31發(fā)出的光的使用效率。第二實(shí)施例下面將參照
本發(fā)明的第二實(shí)施例。在以下描述中,相同的附圖標(biāo)記表示與前述實(shí)施例相同的元件,并不再重復(fù)對(duì)它們的描述。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的在標(biāo)尺刻度線21的讀取方向(X方向)上觀察到的光學(xué)編碼器IA的示意圖。圖4是示出在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上觀察到的光學(xué)編碼器IA的示意圖。在第一實(shí)施例中,光學(xué)編碼器1包括具有光源31、標(biāo)尺側(cè)透鏡32以及光接收元件 33的讀取頭3。然而,在本實(shí)施例中,光學(xué)編碼器IA的讀取頭3Α在光源31、標(biāo)尺側(cè)透鏡32 以及光接收元件33之外還包括孔徑光闌34,如圖3和圖4所示??讖焦怅@34被提供為透射已被標(biāo)尺2反射并已穿過(guò)標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光??讖焦怅@34與標(biāo)尺側(cè)透鏡32之間的距離被設(shè)置為標(biāo)尺側(cè)透鏡32的焦距fs。此外,在與標(biāo)尺刻度線21的讀取方向垂直的平面(即圖3的紙平面)內(nèi),孔徑光闌;34的光軸La與光源31的光軸Lsrc關(guān)于標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸Ls而彼此軸對(duì)稱。換句話說(shuō),雖然孔徑光闌34的光軸La在標(biāo)尺刻度線21的X讀取方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸Ls —致(參考圖4),但孔徑光闌34的光軸La在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸Ls分離距離D (參考圖3)。這里,孔徑光闌34在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上的寬度Way被設(shè)置為以下等式(3)中示出的值,從而在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上僅允許光源31具有δ的定
位誤差。[等式3]Way ≤ffsrcy-2 δ(3)在此設(shè)置中,甚至當(dāng)在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上發(fā)生光源31的定位誤差時(shí),如果定位誤差等于或小于S,則可以使用孔徑光闌34來(lái)限制從光源31發(fā)射的光。因此,可以抑制光學(xué)編碼器IA的光學(xué)系統(tǒng)由于光源31的位置變化而導(dǎo)致的性能變化。因?yàn)榭讖焦怅@34與標(biāo)尺側(cè)透鏡32之間的距離被設(shè)置為標(biāo)尺側(cè)透鏡32的焦距,所以光學(xué)編碼器IA可以在標(biāo)尺刻度線21的X讀取方向上被用于構(gòu)成物(標(biāo)尺2)側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng),如圖4所示。因此,可以提高焦深。具體地,標(biāo)尺側(cè)透鏡32的數(shù)值孔徑NA可以表達(dá)為以下等式(4)[等式4]NA = Dp/ (Dp-fs) · ffax/2Ds(4)其中,Wax表示孔徑光闌34在標(biāo)尺刻度線21的X讀取方向上的寬度,Ds (未示出) 表示標(biāo)尺2的標(biāo)尺刻度線21與標(biāo)尺側(cè)透鏡32的距離,以及Dp (未示出)表示標(biāo)尺側(cè)透鏡 32與光接收元件33的距離。此外,光學(xué)編碼器IA的焦深DOF可以表達(dá)為以下等式(5)[等式δ] DOF = λ /2ΝΑ2 = 2 λ Ds2/Wax2 · ((Dp-fs) /Dp)2(5)其中λ表示從光源31發(fā)射的光的波長(zhǎng)。因此,通過(guò)降低孔徑光闌34的寬度Wax可以提高焦深D0F。根據(jù)本實(shí)施例,除第一實(shí)施例的上述功能和效果之外,還可以獲得以下功能和效^ ο(5)因?yàn)楣鈱W(xué)編碼器IA具有透射已被標(biāo)尺2反射并已穿過(guò)標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光的孔徑光闌34,所以可以通過(guò)設(shè)置孔徑光闌34的寬度和位置來(lái)提供光學(xué)系統(tǒng),類似于通過(guò)設(shè)計(jì)光源31的寬度或位置來(lái)提供光學(xué)系統(tǒng)。(6)因?yàn)樵O(shè)計(jì)或定位孔徑光闌34與設(shè)計(jì)或定位光源31相比相對(duì)簡(jiǎn)單些,所以抑制光學(xué)編碼器IA的光學(xué)系統(tǒng)的性能變化變得更容易。第三實(shí)施例圖5是圖示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的在標(biāo)尺刻度線21的X讀取方向上觀察到的光學(xué)編碼器IB的示意圖。圖6是圖示在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上觀察到的光學(xué)編碼器IB的示意圖。在第二實(shí)施例中,光學(xué)編碼器IA包括讀取頭3A,該讀取頭3A具有光源31、標(biāo)尺側(cè)透鏡32、光接收元件33以及孔徑光闌34。然而,在本實(shí)施例中,光學(xué)編碼器IB包括讀取頭 3B,該讀取頭:3B除光源31、標(biāo)尺側(cè)透鏡32、光接收元件33以及孔徑光闌34之外還具有光接收元件側(cè)透鏡35,如圖5和圖6所示。光接收元件側(cè)透鏡35被布置在孔徑光闌34和光接收元件33之間??讖焦怅@34 與光接收元件側(cè)透鏡35之間的距離被設(shè)置為光接收元件側(cè)透鏡35的焦距fp。此外,光接收元件側(cè)透鏡35的光軸Lp與標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸一致。根據(jù)本實(shí)施例,除第二實(shí)施例的上述功能和效果之外,還可以獲得以下功能和效^ ο(7)因?yàn)楣鈱W(xué)編碼器IB可以被用于在標(biāo)尺刻度線21的X讀取方向上構(gòu)成雙向遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng),所以可以提高焦深。因此,還可以增加光接收元件33與光接收元件側(cè)透鏡35 之間所允許的間隔。第四實(shí)施例圖7是圖示根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的、在標(biāo)尺刻度線21的X讀取方向上觀察到的光學(xué)編碼器IC的示意圖。在第三實(shí)施例中,光學(xué)編碼器IB包括讀取頭3B,并且讀取頭:3B的光接收元件側(cè)透鏡35的光軸Lp與標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸Ls —致。然而,根據(jù)本實(shí)施例,如圖7中所示,光學(xué)編碼器IC包括讀取頭3C,并且讀取頭3C的光接收元件側(cè)透鏡35的光軸Lp在標(biāo)尺刻度線21的X讀取方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸Ls —致,而Lp在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y 方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸Ls分離預(yù)定距離D的兩倍。根據(jù)本實(shí)施例,除第三實(shí)施例的上述功能和效果之外,還可以獲得以下功能和效^ ο(8)在與刻度標(biāo)記21垂直的Y方向上,標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸Ls和光接收元件側(cè)透鏡35的光軸Lp兩者在兩側(cè)與孔徑光闌34的光軸La分離預(yù)定距離D。因此,穿過(guò)孔徑光闌34的光透射通過(guò)標(biāo)尺側(cè)透鏡32和光接收元件側(cè)透鏡35的具有相同形狀的部分。結(jié)果, 光學(xué)編碼器IC可以被用于降低透鏡像差的影響并進(jìn)行精確的測(cè)量。第五實(shí)施例圖8是圖示根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的、在標(biāo)尺刻度線21的X讀取方向上觀察到的光學(xué)編碼器ID的示意圖。在圖7的第四實(shí)施例中,光學(xué)編碼器IC包括讀取頭3C,并且讀取頭3C具有單個(gè)光源31、單個(gè)標(biāo)尺側(cè)透鏡32以及單個(gè)孔徑光闌34。然而,根據(jù)本發(fā)明,如圖8中所示,光學(xué)編碼器ID包括讀取頭3D,并且讀取頭3D具有兩個(gè)光源31、兩個(gè)標(biāo)尺側(cè)透鏡32以及兩個(gè)孔徑光闌34。此外,兩個(gè)孔徑光闌34形成在單個(gè)組件中。在圖7的第四實(shí)施例中,光學(xué)編碼器IC包括標(biāo)尺2,并且該標(biāo)尺2具有格狀或條狀的標(biāo)尺刻度線21。然而,根據(jù)本實(shí)施例,標(biāo)尺2D包括兩組格狀或條狀的標(biāo)尺刻度線21。此外,根據(jù)本發(fā)明,在與該兩組標(biāo)尺刻度線21的X讀取方向垂直的平面(圖8的紙平面)內(nèi),光源31的光軸Lsrc、標(biāo)尺側(cè)透鏡32的光軸Ls和孔徑光闌34的光軸La關(guān)于光接收元件側(cè)透鏡35的光軸Lp相互軸對(duì)稱。根據(jù)本實(shí)施例,除第四實(shí)施例的上述功能和效果之外,還可以獲得以下功能和效^ ο(9)在光學(xué)編碼器ID中,因?yàn)橛蓛山M標(biāo)尺刻度線21反射的光束可以被單個(gè)的光接收元件33接收,所以相比于光學(xué)編碼器被構(gòu)造為利用兩個(gè)光接收元件來(lái)接收光束的情況,可以減少組件的數(shù)量。第六實(shí)施例圖9是圖示根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的光學(xué)編碼器IE的光源31E的示意圖。在前述實(shí)施例中,光學(xué)編碼器1至ID中的每個(gè)包括光源31。然而,根據(jù)本實(shí)施例,光學(xué)編碼器IE包括光源31E,并且光源31E包括發(fā)光體311以及散射板(diffusion plate) 312,發(fā)光體311發(fā)射光,散射板312布置在從發(fā)光體311發(fā)射的光的光路的后段中并使從發(fā)光體311發(fā)射的光散射,如圖9所示。雖然圖中未示出,但散射板312在標(biāo)尺側(cè)透鏡32側(cè)(圖9的下側(cè))的面與標(biāo)尺側(cè)透鏡312之間的距離被設(shè)置為標(biāo)尺側(cè)透鏡32的焦距fs。根據(jù)本實(shí)施例,在前述功能和效果之外,還可以獲得以下功能和效果。(10)因?yàn)楣庠?1E的寬度可以用散射板312的寬度代替,所以可以容易地設(shè)計(jì)光學(xué)編碼器1E。第七實(shí)施例圖10是圖示根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的光學(xué)編碼器IF的光源31F的示意圖。在第一至第五實(shí)施例中,光學(xué)編碼器1至ID包括光源31。然而,根據(jù)本實(shí)施例,光學(xué)編碼器IF包括如圖10所示的光源31F,光源31F包括發(fā)光體311以及發(fā)光體透鏡313, 發(fā)光體311發(fā)射光,發(fā)光體透鏡313布置在從發(fā)光體311發(fā)射的光的光路的后段中,以使得標(biāo)尺側(cè)透鏡32與發(fā)光體透鏡313構(gòu)成柯勒照明(Kohler illumination)。根據(jù)本實(shí)施例,在前述功能和效果之外,還可以獲得以下功能和效果。(11)因?yàn)榭梢越档蛷墓庠?1F發(fā)射并通過(guò)標(biāo)尺側(cè)透鏡32引導(dǎo)向標(biāo)尺21的光的不均勻性,所以可以進(jìn)行精確的測(cè)量。實(shí)施例的修改本發(fā)明不限于前述實(shí)施例,而是可以包括本發(fā)明的范圍內(nèi)的各種修改和變化。例如,雖然在每個(gè)前述實(shí)施例中,預(yù)定距離D被設(shè)置為等于或大于光源31、31E或 31F在與標(biāo)尺刻度線21垂直的Y方向上的寬度Wsrcy,但其也可以被設(shè)置為其他值。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)編碼器,包括標(biāo)尺和讀取頭,所述標(biāo)尺具有標(biāo)尺刻度線,所述讀取頭具有向所述標(biāo)尺發(fā)射光的光源以及與所述標(biāo)尺平行地布置以接收所述標(biāo)尺反射的光的光接收元件,由此基于所述光接收元件接收到的光來(lái)測(cè)量所述讀取頭相對(duì)于所述標(biāo)尺的位置,其中所述讀取頭具有標(biāo)尺側(cè)透鏡,將從所述光源發(fā)射的光透射到所述標(biāo)尺,并將被所述標(biāo)尺反射的光透射到所述光接收元件,其中所述光源布置在所述標(biāo)尺側(cè)透鏡與所述光接收元件之間,以及其中所述光源的光軸在所述標(biāo)尺刻度線的讀取方向上與所述標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸一致, 而在與所述標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的方向上與所述標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸分離預(yù)定的距1 O
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)編碼器,其中所述預(yù)定的距離被設(shè)置為等于或大于所述光源在與所述標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的方向上的寬度的1/2。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)編碼器,其中所述讀取頭具有孔徑光闌,用于透射已被所述標(biāo)尺反射并已穿過(guò)所述標(biāo)尺側(cè)透鏡的光。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)編碼器,其中在與所述標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的平面內(nèi),所述孔徑光闌的光軸與所述光源的光軸關(guān)于所述標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸彼此軸對(duì)稱。
5.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)編碼器,其中所述孔徑光闌與所述標(biāo)尺側(cè)透鏡之間的距離被設(shè)置為所述標(biāo)尺側(cè)透鏡的焦距。
6.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)編碼器,其中所述讀取頭具有光接收元件側(cè)透鏡,該光接收元件側(cè)透鏡布置在所述孔徑光闌與所述光接收元件之間。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)編碼器,其中所述孔徑光闌與所述光接收元件側(cè)透鏡之間的距離被設(shè)置為所述光接收元件側(cè)透鏡的焦距。
8.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)編碼器,其中所述光接收元件側(cè)透鏡的光軸在所述標(biāo)尺刻度線的讀取方向上與所述標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸一致。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)編碼器,其中所述光接收元件側(cè)透鏡的光軸在與所述標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的方向上與所述標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸分離。
10.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)編碼器,其中所述光接收元件側(cè)透鏡的光軸在與所述標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的方向上與所述標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸分離所述預(yù)定距離的兩倍。
11.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)編碼器,其中所述讀取頭具有兩個(gè)光源,兩個(gè)標(biāo)尺側(cè)透鏡以及兩個(gè)孔徑光闌,并且在與所述標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的平面內(nèi),所述兩個(gè)光源的光軸、所述兩個(gè)標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸以及所述兩個(gè)孔徑光闌的光軸分別關(guān)于所述光接收元件側(cè)透鏡的光軸而彼此軸對(duì)稱。
12.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)編碼器,其中所述讀取頭具有第一組光源、標(biāo)尺側(cè)透鏡和孔徑光闌以及第二組光源、標(biāo)尺側(cè)透鏡和孔徑光闌,并且在與所述標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的平面內(nèi),所述第二組在與所述標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的方向上與所述第一組偏離。
13.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)編碼器,其中所述光源包括發(fā)光體和散射板,所述發(fā)光體發(fā)射光,所述散射板布置在從所述發(fā)光體發(fā)射的光的光路的后段中并使從所述發(fā)光體發(fā)射的光散射。
14.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)編碼器,其中所述光源包括發(fā)光體和發(fā)光體透鏡,所述發(fā)光體發(fā)射光,所述發(fā)光體透鏡布置在從所述發(fā)光體發(fā)射的光的光路的后段中,并且所述標(biāo)尺側(cè)透鏡和所述發(fā)光體透鏡構(gòu)成柯勒照明。
15.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)編碼器,其中所述光源和所述標(biāo)尺側(cè)透鏡之間的距離被設(shè)置為所述標(biāo)尺側(cè)透鏡的焦距。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠在光接收元件中獲得足夠量的光的小型化光學(xué)編碼器。光學(xué)編碼器包括標(biāo)尺和讀取頭。標(biāo)尺具有標(biāo)尺刻度線。讀取頭具有向標(biāo)尺發(fā)射光的光源、將從光源發(fā)射的光透射到標(biāo)尺的標(biāo)尺側(cè)透鏡以及接收已被標(biāo)尺反射并已穿過(guò)標(biāo)尺側(cè)透鏡的光的光接收元件。光源布置在標(biāo)尺側(cè)透鏡與光接收元件之間,并且光源與標(biāo)尺側(cè)透鏡之間的距離被設(shè)置為標(biāo)尺側(cè)透鏡的焦距。光源的光軸在標(biāo)尺刻度線的讀取方向上與標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸一致,而在與標(biāo)尺刻度線的讀取方向垂直的方向上與該標(biāo)尺側(cè)透鏡的光軸分離預(yù)定的距離。
文檔編號(hào)G01D5/34GK102207396SQ201110076078
公開(kāi)日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者夜久亨, 水谷都, 長(zhǎng)濱龍也 申請(qǐng)人:株式會(huì)社三豐